超聲都卜勒多相流流速分布檢測設備的製作方法
2023-05-11 23:16:51
本發明屬於流體測量技術領域，具體涉及一種以超聲都卜勒效應為工作原理的多相流流速分布檢測設備。
技術背景
多相流中的相定義為物質的存在形式，即氣態、液態或固態，通常指同時存在兩種或兩種以上物質的流動。多相流廣泛存在於工業生產與日常生活中，例如核能、油氣開採與傳輸、化工、製冷、醫藥、食品等現代工程領域與設備中，對多相流動特徵的深刻理解對生產過程的監控、管理、分析與設計，以及確保裝置可靠運行、提高生產效率具有十分重要的意義。由於多相流動機理的複雜性和不確定性，使得對其流動過程信息的準確獲取和分析十分困難，而多相流流動過程參數的準確檢測對推動流體力學理論的研究、動態流體模型的建立和流動機理的研究，促進工業設備的發展以及提高工業過程的生產效率，加強工業過程的安全都起到了重要作用。
多相流的測量參數有含率、流速、流型等，由於多相流流動總是伴隨著相間的質量、動量以及熱量的傳遞，與單相流相比多相流的待測參數多、流動過程複雜，難以用數學公式完全描述，因而給測量帶來困難。近幾十年來，在多相流流動參數的測量問題上，國內外許多學者開展了大量的理論與實驗研究，提出了許多檢測方式，按測量方法可分為侵入式與非侵入式技術；按測量原理可分為電學法、射線法、超聲法、核磁共振法和微波法等。
流體速度場作為描述多相流流動特徵的基本物理量，它的精確測量具有尤為重要的意義。超聲波檢測方法由於其非侵入、成本低、易於實現、對流體透光性無要求等特點已經被廣泛應用於流體測量中。基於超聲波的流速測量技術主要是利用流速對超聲信號的傳播時間或頻率的調製作用，即時差法和都卜勒法。超聲時差法基於超聲沿流體順逆兩個方向傳播時速度不同而引起的時差來計算流體沿聲道上的線平均速度，通過獲得較多條聲道上的線平均速度，並使用層析成像等方式實現管道軸向的二維流場分布，缺點是需要使用較多的超聲傳感器與測量數據(雙向的)實現流速分布測量，且安裝角度與上下遊傳感器的對準都影響了結果的準確性。超聲都卜勒方法近幾十年以來開始應用於多相流的流速測量，它是基於超聲波在流體中運動的散射體上形成的都卜勒效應而獲得散射體的真實流動速度，物理意義明確。超聲都卜勒測速方法分為連續波超聲都卜勒和脈衝波超聲都卜勒，目前，大多數情況下基於連續波超聲都卜勒獲得的是測量區域的平均散射體流動速度，而基於脈衝波超聲都卜勒如uvp(ultrasonicvelocityprofile)方法可獲得超聲測量線上的一維速度分布。目前對於多相流二維流速分布重建問題，目前仍缺乏有效、直觀的手段。
技術實現要素：
本發明提供一種基於超聲都卜勒效應的多相流流速分布檢測設備。本發明在對多相流動狀態不產生擾動的前提下，對超聲傳感器陣列採用逐次激勵與並行測量方式，在同一截面多方向激勵下檢測被測管道內流體流速的多方向合成超聲都卜勒頻移投影信息。利用本發明的分布檢測設備所採集的超聲都卜勒頻移投影信息，可以進一步下面的處理：利用頻譜分析結合分布參數反演算法重建流體在被測截面內的流速分布，實現多相流截面流速分布的可視化重建。
本發明的技術方案如下：
一種超聲都卜勒多相流流速分布檢測設備，用於對被測管道內流體的截面流速分布進行測量，包括超聲傳感器陣列和超聲信號發生與檢測單元4，其特徵在於，超聲傳感器陣列由多個均勻分布在被測管道同一截面位置的超聲探頭構成，所述超聲探頭由兩個帶聲楔的超聲換能器構成，兩者中間放置隔聲層隔聲，其中一個作為超聲發射換能器，固定在與管道軸向平行的透聲楔塊表面，一個作為超聲接收換能器，固定在傾斜於管道軸向的透聲楔塊表面，超聲接收換能器與管道軸向夾角在30°到60°的區間範圍，夾角的取值和超聲探頭數量的選取使得完整測量場ω0沿管道軸向的二維投影平面為管道內的整個橫截面區域；測量時，按一定順序依次激勵超聲探頭中的發射換能器，在每次激勵下所有接收換能器同時接收超聲回波信號，在同一截面多方向激勵下獲得被測管道內流體流速的多方向合成超聲都卜勒頻移投影信息。
本發明的有益效果及優點如下：
1、作為非侵入式的測量方式，對流場不產生擾動和破壞；
2、測量速度快，成本低；
3、結構簡單；
4、所採集的超聲都卜勒頻移投影信息，可以進一步下面的處理：利用頻譜分析結合分布參數反演算法重建流體在被測截面內的流速分布，實現多相流截面流速分布的可視化重建。
附圖說明
以下附圖描述了本發明所選擇的實施例，均為示例性附圖而非窮舉或限制性，其中：
圖1本發明設備整體結構示意圖：其中，0-來流方向；1-管道；2-裝置固定用法蘭；3-由超聲探頭組成的超聲傳感器陣列；4-超聲信號發生與檢測單元；5-超聲都卜勒信號分析單元；6-流體速度場重建單元；7-輸出與顯示單元。
圖2本發明設備超聲探頭結構示意圖，3-1超聲探頭中超聲發射換能器壓電晶片，3-2為超聲探頭中超聲接收換能器壓電晶片，3-3為透聲楔塊，3-4為隔聲層，3-5為吸聲材料，3-6為外殼；3-7為接插座。
圖3本發明設備超聲探頭中接收換能器接收的超聲回波路徑示意圖及都卜勒頻率計算過程：其中，3-2為超聲接收換能器，3-3為透聲楔塊，a透聲楔塊的入射表面，θ為入射到透聲楔塊的超聲波與管道軸向夾角，v是散射體沿管道軸向運動速度，φ是超聲入射角，φ1是折射角，c為流體混合聲速，c1為透聲楔塊聲速。
圖4本發明設備超聲測量場示意圖，圖4(a)中區域8為超聲探頭3的發射換能器3-1和接收換能器3-2在流場中構成的超聲局部測量區域；圖4(b)中9為超聲局部測量場沿管道軸向投影平面示意圖；圖4(c)中10為超聲完整測量場的投影平面即被測截面示意圖，d為管道內徑。
圖5本發明設備超聲傳感器陣列結構示意圖，其中圖5(a)為超聲傳感器陣列結構側視圖，包括被測管道1，安裝於管道截面處的超聲傳感器陣列3；圖5(b)超聲傳感器陣列縱向b-b截面剖視圖；圖5(c)超聲傳感器陣列橫向a-a截面剖視圖。
圖6本發明設備超聲信號發生與信號檢測單元結構示意圖。
具體實施方式
以下詳細描述製造和操作本發明的步驟，旨在作為本發明的實施例描述，並非是可被製造或利用的唯一形式，對其他可實現相同功能的實施例也應包括在本發明的範圍內。
下面結合說明書附圖詳細說明本發明的實施例。
圖1描述了本發明設備整體結構示意圖，包括被測管道1，裝置固定用法蘭2，超聲傳感器陣列3和超聲信號發生與檢測單元4，超聲都卜勒信號分析單元5，流體速度場重建單元6和輸出與顯示單元7。超聲傳感器陣列由多組超聲探頭構成，每組超聲探頭包括一個超聲發射換能器和一個超聲接收換能器，超聲探頭均勻的分布在被測管道的同一截面位置，以超聲都卜勒方式工作，在同一截面多方向激勵下獲得被測管道內流體流速的多方向合成超聲都卜勒頻移投影信息，測量過程不對多相流動過程產生擾動和破壞。
當被測多相流從來流方向0進入到被測管道1時，超聲傳感器陣列3通過超聲信號發生與檢測單元4獲得被測流體的多方向合成都卜勒頻移信息，經過超聲都卜勒信號分析單元5對合成都卜勒頻移投影信號進行分析與處理，在流體速度場重建單元6中使用分布參數反演算法重建流體在被測截面內的速度分布，並通過輸出與顯示單元7顯示重建的流體截面速度分布圖。所述超聲信號發生與檢測單元4包括計算中心、總線、邏輯控制單元、激勵發生單元、多路mosfet驅動與切換單元、超聲發射換能器陣列、超聲接收換能器陣列、多路信號放大單元、參考信號發生單元、多路信號解調與濾波單元以及多路a/d變換單元。逐次激勵各個超聲探頭中發射換能器發射超聲波，同時所有探頭中的接收換能器接收各路回波信號，沿被測管道同一截面激勵與測量一周，獲得的多方向合成都卜勒頻移投影信號與相應局部測量場內所有散射體的運動速度相關，所述合成都卜勒頻移投影信號通過換能器的壓電效應轉換為電信號，並經過a/d轉換器陣列轉換為數位訊號，通過總線傳輸到計算中心，在流體速度場重建單元6中使用分布參數反演算法重建流體截面速度分布場，並通過輸出與顯示單元7顯示流體截面速度分布圖。
圖2描述了本發明設備超聲探頭結構示意圖，3-1超聲探頭中超聲發射換能器，3-2為超聲探頭中超聲接收換能器，3-3為透聲楔塊，3-4為隔聲層，3-5為吸聲材料，3-6為外殼；3-7為接插座。每個超聲探頭中包括一個超聲發射換能器和一個接收超聲發射換能器，分別固定在兩個透聲楔塊3-3表面，兩者中間放置隔聲層3-4隔聲。超聲發射換能器3-1的壓電晶片通過逆壓電效應發射超聲波，超聲接收換能器3-2的壓電晶片通過正壓電效應接收超聲波，並且兩個換能器全周期或半周期均可激發。接插座3-7連接兩個壓電晶片電極以及外部配套的插頭連線。
圖3描述本發明設備超聲探頭中接收換能器接收的超聲回波路徑示意圖及都卜勒頻率計算過程：其中，3-2為超聲接收換能器，3-3為透聲楔塊，a為透聲楔塊的入射表面，v是散射體沿管道軸向運動速度及方向，θ為入射到透聲楔塊中的超聲回波與管道軸向夾角，φ是超聲入射角，φ1是折射角，c為流體混合聲速，c1為透聲楔塊聲速。
若超聲探頭無透聲楔塊，則接收換能器接收的都卜勒頻移可表示為會受到流體混合聲速c的影響，因此需進行流體聲速變化的補償。按圖3在超聲探頭中加入透聲楔塊3-3，超聲回波經過透聲楔塊a面入射到接收換能器，可以消除液體聲速變化的影響，得到與流體混合聲速c無關的都卜勒頻移fd：根據snell定律以及sinφ＝cosθ，可以得到都卜勒頻移與散射體的運動速度成正比，由於超聲回波入射角φ1是固定的，c1是楔塊的聲速，與流體的聲速變化相比小得多，實際應用中可以忽略，此方式得到的都卜勒頻移fd不再受流體混合聲速c的影響，減少了都卜勒頻移的測量誤差。
圖4描述了本發明設備超聲測量場示意圖，圖4(a)中8為超聲探頭3中的發射換能器3-1的發射聲束與接收換能器3-2的接收聲束在流場中構成的超聲局部測量場，其中d為管道內徑；圖4(b)中9為超聲局部測量場8沿管道軸向的二維投影平面。如圖4(c)所示，超聲傳感器陣列中所有發射與接收換能器在管道內形成的局部測量場的併集為超聲完整測量場，其沿管道軸向的二維投影平面為管道內的整個橫截面區域即，被測截面10。
圖5描述了本發明設備超聲傳感器陣列結構示意圖，其中圖5(a)為超聲傳感器陣列結構側視圖，包括被測管道1，安裝於管道同一截面處的超聲傳感器陣列3；圖5(b)為超聲傳感器陣列縱向b-b截面剖視圖；圖5(c)為超聲傳感器陣列橫向a-a截面剖視圖。超聲傳感器陣列3由多組超聲探頭構成，超聲探頭均勻分布在被測管道1的同一截面上，探頭數量和換能器的尺寸視應用條件而改變，與管道大小和超聲收發換能器聲束大小相關，以使超聲完整測量場沿管道軸向的二維投影平面為管道內的整個橫截面區域為依據。
在傳感器陣列中，激勵超聲探頭3中的發射換能器3-1產生超聲波，其遠場聲束沿垂直於管道軸向方向發射到被測管道內形成超聲敏感場，流經該超聲敏感場的所有運動散射體將超聲波向四周散射，超聲探頭3中接收換能器3-2接收其局部測量場8內所有散射體產生的合成超聲回波，根據都卜勒效應，發射聲波和接收聲波的頻率差，即都卜勒頻移，與散射體流速成正比，因此得到該局部測量場8內由各散射體流速產生的合成都卜勒頻移投影信息。在該發射換能器3-1激勵下，所有接收換能器同時接收各自局部測量場中運動散射體產生的合成都卜勒頻移投影信息，由此得到沿被測管道截面該激勵方向所對應的多個局部測量場內流體流速的多路合成都卜勒頻移投影信息。同理，激勵另一個發射換能器，所有接收換能器同時接收超聲回波，得到這個激勵方向所對應的多個局部測量場內流體流速的多路合成都卜勒頻移投影信息。如此，沿被測管道同一截面按順序激勵n個超聲探頭的發射換能器一周，在每次激勵下n個接收換能器並行接收超聲回波，可得到n個激勵方向所對應的n個局部測量場內流體流速的n×n合成都卜勒頻移投影信息。由於n個激勵方向對應的全部局部測量場的集合為完整測量場，且完整測量場沿管道軸向的投影平面為管道的整個橫截面即，被測截面10，根據流體連續性定理，完整測量場內的流體流速分布可等效為被測截面10上的流速分布，因此，對超聲傳感器陣列採用逐次激勵與並行測量方式獲得n×n多方向合成都卜勒頻移投影信息，並進一步結合頻譜分析與分布參數反演算法可重建流體在被測截面上的流速分布。
圖6描述了本發明設備超聲信號發生與信號檢測單元結構示意圖，包括計算中心、總線、邏輯控制單元、激勵發生單元、多路mosfet驅動與切換單元、超聲發射換能器陣列、超聲接收換能器陣列、多路信號放大單元、參考信號發生單元、多路信號解調與濾波單元以及多路a/d變換單元。系統的控制與參數設置等信息由計算機通過總線傳輸至系統邏輯控制單元，並通過系統邏輯控制單元對系統整體時序邏輯和參數進行設置，根據系統要求在激勵信號發生單元實現激勵信號的產生，通過邏輯控制單元設置多路mosfet驅動與切換單元選通超聲換能器陣列中超聲探頭的發射換能器，根據電聲轉換作用，壓電晶片經過激勵信號產生超聲波，並發射到被測流體中。通過多路信號放大單元將各路超聲回波信號放大後，送入多路信號解調與濾波單元；系統邏輯控制單元按要求控制參考信號發生單元產生參考信號，在多路信號解調與濾波單元中，將參考信號與各路超聲回波信號進行混頻解調，經過濾波處理得到多路合成都卜勒頻移信息，並經過a/d轉換器陣列轉換為數位訊號，通過總線傳輸到計算中心。
本發明設備的超聲都卜勒多相流流速分布檢測設備信號發生與採集步驟如下：
1、在超聲信號發生與信號檢測單元4的控制下採用逐次激勵並行採集的方法對被測管道流場進行測量。首先經過邏輯控制單元的控制，激勵發生單元產生信號激勵第一個超聲探頭中的發射換能器，同時每個超聲探頭中的接收換能器接收超聲回波信號；
2、將各路接收換能器接收的超聲回波信號進行放大並經過多路信號解調與濾波單元等處理後得到的多路合成都卜勒頻移投影信號上傳並記錄到計算機中；其中每路的合成都卜勒頻移投影信號對應各自局部測量場內的流速分布信息；
3、按步驟1和2，經過邏輯控制單元的控制，按一定順序依次激勵其餘超聲探頭中的發射換能器，在每次激勵下所有接收換能器同時接收超聲回波信號，並將處理後的多路合成都卜勒頻移投影信號上傳並記錄到計算機中。
通過上述步驟，可得到與超聲完整測量場內流速分布信息相對應的多方向合成都卜勒頻移投影信號。綜上，對超聲傳感器陣列採用逐次激勵與並行測量方式，可在同一截面多方向激勵下獲得被測管道內流體流速的多方向合成超聲都卜勒頻移投影信息，根據流體連續性定理，超聲完整測量場內的流體流速分布可等效為被測截面內的流速分布，因此可進一步對檢測數據進行頻譜分析並結合分布參數反演算法重建流體在被測截面內的流速分布。